Download ELECTROTECNIA Conceptos Básicos

ELECTROTECNIA
Conceptos Básicos
Juan Guillermo Valenzuela Hernández
([email protected])
Universidad Tecnológica de Pereira
Segundo Semestre de 2014
®Juan Valenzuela
1
Conceptos Básicos
Electrotecnia
La electrotecnia es la disciplina que estudia las aplicaciones técnicas de la
electricidad. Ésta abarca el estudio de los fenómenos eléctricos desde el punto
de vista de la utilidad práctica de la electricidad incluido en tres grandes campos
del conocimiento:



Las leyes, los teoremas, principios y técnicas de análisis que permiten el cálculo
y predicción del comportamiento de los sistemas eléctricos.
Elementos con los que se construyen los circuitos, equipos y máquinas
eléctricas.
Uso eficiente y racional de los recursos energéticos.
2
Conceptos Básicos
Electricidad
La electricidad es el fenómeno físico que proviene de la existencia e interacción
de cargas eléctricas y cuya energía puede manifestarse de distintas formas
entre las cuales cabe destacar:

Fenómenos Naturales

Fenómenos Térmicos

Fenómenos Mecánicos

Fenómenos Lumínicos
3
Conceptos Básicos
Electricidad en Fenómenos Naturales

Fenómenos Naturales
Descargas Atmosféricas
Sistema Nervioso
4
Conceptos Básicos
Electricidad en Fenómenos Mecánicos

Fenómenos Mecánicos
Motor eléctrico
Tren de levitación magnética
5
Conceptos Básicos
Electricidad en Fenómenos Térmicos

Fenómenos Térmicos
Aire acondicionado
Calentador
de agua
Soldador eléctrico
6
Conceptos Básicos
Electricidad en Fenómenos Luminosos

Fenómenos Luminosos
Bombilla
Incandescente
Bombilla
Compacta
Bombilla
Halógena
7
Conceptos Básicos
Electricidad
La electricidad es el fenómeno físico que proviene de la existencia e interacción
de cargas eléctricas y cuya energía puede manifestarse de distintas formas
entre las cuales cabe destacar:

Fenómenos Naturales

Fenómenos Térmicos

Fenómenos Mecánicos

Fenómenos Luminosos
8
Conceptos Básicos
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad de la materia (más específicamente de
algunas partículas subatómicas) que se manifiesta mediante fuerzas de
atracción o repulsión.
Electrones
Neutrones
Protones
*Modelo atómico de Bohr.
9
Conceptos Básicos
Carga Eléctrica
Los electrones se mantienen en sus orbitas debido a la fuerza de atracción que
existe entre estos y el núcleo. Esta fuerza es conocida como fuerza
electromagnética. Como característica especial, se puede destacar que en
términos atómicos, es una fuerza de gran magnitud y puede ser de atracción o
repulsión.
Fuerzas Repulsivas
Fuerza Atractivas
10
Conceptos Básicos
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que
recorre un material. Esta se debe a un intercambio de electrones en el interior
del material producto de una diferencia de potencial en dos puntos del material.
La unidad de medida es el Ampere [A].
𝑑𝑞(𝑡)
𝑖 𝑡 =
𝑑𝑡
11
Conceptos Básicos
Tensión eléctrica o Diferencia de Potencial
La diferencia de potencial presente en un elemento es la energía (o trabajo)
necesaria para mover una carga eléctrica unitaria desde un punto a otro en el
espacio. Su unidad de medida es el Volt [V].
a
Voltaje
Vab
b
*La figura presentada corresponde simplemente a una analogía y no a el comportamiento real del fenómeno.
12
Conceptos Básicos
Potencia y Energía
La potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un
elemento en un instante de tiempo determinado. La unidad de medida de la
Potencia es el Watt [w].
𝑃(𝑡) = 𝑣(𝑡). 𝑖(𝑡)
[𝐽]
𝑤 =
[𝑠]
La energía eléctrica es la capacidad de realizar un trabajo a partir de la
existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos que permite
establecer una corriente eléctrica entre ambos. La unidad de medida de la
Energía es el Joule [J].
𝐸 = 𝑃. 𝑡
𝐽 = 𝑤 . [𝑡]
*La energía es la que finalmente es cobrada por las empresas prestadoras de servicio a los usuarios.
13
Conceptos Básicos
Formas Comunes de Corriente Eléctrica
Corriente Continua (DC)
Flujo de electrones a través de un elemento conductor entre dos puntos que
presentan diferente potencial eléctrico que se mantiene constante para todo
instante de tiempo. Este flujo de electrones se presenta en un único sentido.
i (t)
I
t (s)
14
Conceptos Básicos
Formas Comunes de Corriente Eléctrica
Corriente Alterna (AC)
Flujo de electrones a través de un elemento conductor entre dos puntos que
presentan diferente potencial eléctrico que varia en el tiempo. Este flujo de
electrones se presenta en ambos sentidos.
I (t)
Imax --
t (s)
15
Conceptos Básicos
Circuito Eléctrico
Un circuito eléctrico es una interconexión de dos o más elementos de circuito
que forman por lo menos una trayectoria cerrada. Estos son utilizados
comúnmente para modelar fenómenos físicos relacionados con la electricidad.
Básicamente son conformados por tres tipos de elementos.
Alambre



Fuente
Carga
Conductores
Resistor
Batería
Alambre
16
Conceptos Básicos
Circuito Eléctrico
Para el análisis de circuitos eléctricos, se deben tener en cuenta dos conceptos
fundamentales iniciales:
Nodo: Punto común (unión) de dos o más elementos de circuito.
Malla: Trayectoria cerrada conformada por elementos de circuito.
a
a
1
d
Im1
2
3
Im2
b
a
Nodo
4
Im
d
Malla
c
17
Conceptos Básicos
Circuito Eléctrico
Para el análisis de circuitos eléctricos, se deben tener en cuenta dos conceptos
fundamentales iniciales:
Nodo: Punto común (unión) de dos o más elementos de circuito.
Malla: Trayectoria cerrada conformada por elementos de circuito.
a
a
1
d
Im1
2
3
Im2
b
a
Nodo
4
Im
d
*Note que el nodo c es el mismo nodo d.
Malla
c
18
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito
Un circuito eléctrico está conformado por elementos que pueden ser clasificados
en dos categorías principales según su característica de entrega o absorción de
energía:


Elementos activos: son aquellos capaces de suministrar energía a un
elemento externo o un circuito. Entre estos podemos encontrar las fuentes de
voltaje y corriente, de magnitudes que pueden ser dependientes o
independientes de características del circuito.
Elementos pasivos: son aquellos elementos de circuito que tiene la capacidad
de absorber o almacenar energía tomada de la red para realizar un trabajo útil o
convertirla en otra forma de energía. Entre estos podemos encontrar las
resistencias, capacitancias e inductancias.
19
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito – Elementos activos


Fuente Independiente de Voltaje: Elemento de circuito capaz de mantener
en sus terminales una tensión determinada, independiente del valor de la
corriente que requiera y/o fluya por los elementos del circuito alimentado.
Fuente Independiente de Corriente: Elemento de circuito capaz de
suministrar una corriente determinada, independiente del valor de la tensión
presente en sus terminales.
20
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito – Elementos activos

Fuente Dependiente de Voltaje: Elemento de circuito capaz de mantener
una tensión en sus terminales que depende del valor de la corriente o tensión
presente en algún elemento de circuito.
a.Vx

b.Iy
Fuente Dependiente de Corriente: Elemento de circuito capaz de
suministrar una corriente que depende del valor de la corriente o tensión
presente en algún elemento de circuito.
c.Vx
*Donde a y d son adimensionales, b [V/A] y c [A/V].
d.Iy
21
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito – Elementos Activos
Ejemplos de circuitos con fuentes dependiente e independientes:
3Vx
Ix
+
Vx
I=7A
-
Iz
3Iz
+
V=3v
Vy
22
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito – Elementos Pasivos
Resistencia: Se designa con la letra R. Es un elemento utilizado para
representar el fenómeno de la oposición el flujo de carga eléctrica y su asociada
disipación de energía en forma de calor en algún lugar del sistema. La unidad de
medida es el Ohm [Ω].
IR
+
VR
-
La resistencia eléctrica presenta un comportamiento modelado por la ley de
Ohm en elementos lineales, pero su comportamiento no puede ser generalizado
por la existencia de elementos no lineales.
23
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito – Elementos Pasivos
Inductancia: Se designa con la letra L. Es un elemento utilizado para
representar el almacenamiento de energía en el campo magnético en algún
lugar del sistema. La unidad de medida es el Henrio [H].
IL
+
VL
-
El inductor representa la inducción electromagnética modelada mediante la ley
de inducción de Faraday. Esta última plantea que una corriente variable en un
conductor, produce un campo magnético variable, que a su vez produce un
campo eléctrico variable y por tanto resulta una diferencia de potencial variable
en el tiempo.
24
Conceptos Básicos
Elementos de Circuito – Elementos Pasivos
Capacitancia: Se designa con la letra C. Es un elemento utilizado para
representar el almacenamiento de energía en el campo eléctrico, en algún
lugar del sistema. La unidad de medida es el Faradio [F].
IL
+
VL
-
Un capacitor almacena cargas eléctricas entre un par de placas separadas por
un material dieléctrico creando una diferencia de potencial entre ellas. Esa
diferencia de potencial tiene una relación directa con la energía almacenada en
campo eléctrico.
25
Gracias
26